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激光与核聚变-

激光与核聚变-

    真正意义上的核聚变研究已经走过了数十年历史,期间科学家提出了多种方法来控制核聚变。但其实关于核聚变的讨论可以追溯到更早以前。早在19世纪60年代,核聚变就已经成为科学家经常争论的话题。但当时人类对核聚变,甚至对物质本质的了解都少之又少。再过了大约70年,到了20世纪30年代,科学家知道所有物质都由原子构成,这些原子都拥有一个由带正电的质子和中性的中子组成的原子核(氢是唯一一个特例,它的原子核只有一个质子,没有中子)。这些知识为日后核聚变的研究奠定了很好基础。 

  1938年,物理学家汉斯·贝特意识到,太阳中心的压强必定非常巨大,足以克服通常情况下会让带有同种电荷的离子相互分离的排斥力,而把一个个氢原子核挤压在一起,并发生反应,释放巨大能量。贝特写出了氢离子聚变的4步链式反应。反应最终产物的质量略低于反应前各成分质量的总和,“消失”的质量转换成能量(根据爱因斯坦的E=mc2公式)提供给太阳。 

  虽然从理论上讲,一加仑(3.8升)重水(氧化氘)能够产生的核聚变能量与一艘超级油轮载满的石油相当,而且反应后的剩余物质仅是少量氦气,但事实却远非如此简单。20世纪50年代初,美国普林斯顿大学教授莱曼·斯皮策设计了“仿星器”,提出了聚变反应堆的第一种设计方案。根据斯皮策当时的估计,他的仿星器可以产生15万千瓦电力,足够15万户家庭使用。他的设计基于一个事实:在聚变所需的高温下,所有电子将从自己的原子中剥离出来,形成带电粒子“汤”,后被称为等离子体,可以用磁场约束。斯皮策的仿星器本质上就是一个可以约束等离子体的磁瓶,哪怕等离子体被加热到了几百万摄氏度的高温。可惜,当时斯皮策以及和他一起研究的科学家未能完全了解等离子体,而且等离子体十分不好掌控。 

  在同一年代,即1950年,苏联科学家安德烈·萨哈罗夫设计了托卡马克用来约束等离子体。到了1969年,西方科学家前往莫斯科研究萨哈罗夫设计的托卡马克。他们发现它产生的等离子体比仿星器温度更高、密度更大。从此托卡马克开始成为约束核聚变研究的主流。控制核聚变产生的高能量等离子,并让其为己所用便成为了人类研究核聚变的最早方法。在此后的60年里,科学家努力用越来越强大的磁瓶去驯服等离子体。每次物理学家提出一个改进装置去前出现的问题,都会在更高的能量状态下遇到各式各样的新问题。美国阿贡国家实验室和橡树岭国家实验室核聚变项目前主管、美国ITER技术咨询委员会现任主席查尔斯·贝克说:“无论你对它们做什么,等离子体总是会有一点不稳定。” 

  难以驯服的等离子体让科学家们不断受挫,但同时也让他们萌生了另辟蹊径的想法。20世纪70年代能源危机发生时,通往核聚变的另一条平行的研究计划也诞生了,科学家希望这条新的途径能够避免磁约束等离子体中遇到的一些问题。这些技术用许多束激光去压缩和加热一个由氘和氚构成的靶丸。这项研究在美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室展开,一开始使用的只是一个能够发出两束激光的简单试验台。激光功率的提升使试验设备不断升级,1977年启用“湿婆”激光器,1984年又启用了“新星”激光器。每次新激光器的使用都打破了利弗莫尔实验室自己保持的、激光核聚变最强大爆炸的世界纪录,但是跟磁约束一样,它们仍然没能达到“收支”平衡,即聚变释放能量等于激光输入能量。要想做到这一点,利弗莫尔实验室需要一种新激光器,激光功率要在过去的基础上再提高70倍。到了1997年,新激光器开始建造,这就是美国国家点火装置(NIF)。NIF于2009年5月建成完工,轰动一时。今年晚些时候,NIF将开始氘-氚聚变实验,这将是人类探索核聚变的又一个重要里程碑。 

  虽然ITER的聚变原理要早于NIF,但似乎项目进展却落在了NIF之后。据《自然》杂志报道,预计在2019年ITER核聚变装置将完成建设,比预期的要晚1年,比NIF晚了整整10年。而第一次ITER氘-氚聚变试验则计划在2026年进行,比NIF要晚15年左右。

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